3. Теплотехнологическое оборудование. Пластинчатый теплообменник

3.1. Задание на проектирование

Запроектировать разборный пластинчатый теплообменник для подогрева воды при следующих условиях:

1. давление на стороне воды Р_в = 0,6 МПа;

2. температура воды на входе = 90 ºС;

3. температура воды на выходе = 150 ºС;

4. располагаемый расход пара D = 0,401 кг/с;

5. температура греющего пара t_п = 143 ºС;

6. температура конденсации t_н = 133 ºС;

7. давление пара в конденсаторе Р_к = 0,3 МПа;

8. располагаемый напор на стороне воды ΔР = 100 кПа.

3.2. Тепловой расчет подогревателя

При заданной температуре пара t_п = 143 ºС и давлении пара в конденсаторе Р_к = 0,3 МПа по I—S диаграмме определяют состояние пара. Если он перегрет, то имеется две зоны теплообмена: первая –– охлаждение пара от t_п = 143 ºС до t_н = 133 ºС; вторая –– конденсация насыщенного пара на пластинах.

Параметры теплоносителей находят при средних температурах воды t_в.ср и пара t_п.ср, °С:

, (3.1)

где = 90 –– температура воды на входе в подогреватель, °С; = 150 –– температура воды на выходе из подогревателя, °С,

.

, (3.2)

где t_п –– температура перегретого пара, °С (t_п = 143 °С); t_н –– температура насыщенного пара, °С (t_н = 133 °С), определяют по таблицам насыщенного водяного пара, [4].

.

Для дальнейшего расчета выписывают физические характеристики теплоносителей при средних температурах (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Физические характеристики теплоносителей

Физические величины	Для пара при tп.ср = 138 °С	Для конденсата при tк =133 °С	Для воды при tв.ср = 120°С
Плотность, кг/м3	rп = 1,59	rк = 932	rв = 943,1
Теплоемкость, кДж/(кг·°С)	сп = 2,09	ск = 4,19	Св = 4,25
Теплопроводность, Вт/(м·°С)	lп = 0,02791	lк = 0,685	lв = 0,686
Кинематическая вязкость, м2/с	νп = 6,89·10-6	νк = 0,228·10-6	νв = 0,252·10-6
Критерий Прандтля для среды	Рrп = 1,12	Рrк = 1,33	Рrв = 1,47
Теплота парообразования, кДж/кг	r = 2160	—	—

Количество теплоты, передаваемой в единицу времени, кВт:

(3.3)

Расход нагреваемой воды заданным количеством пара составит, кг/с.

(3.4)

Объемный расход воды, м³/с:

(3.5)

Средний логарифмический температурный напор между теплоносителями рассчитывают по формуле:

, (3.6)

где ––наибольший температурный напор между теплоносителями, °С; –– наименьший температурный напор между теплоносителями, °С.

Схема потоков в аппарате:

143 °С 133 °С

90°С 150 °С

Напоры:

= 143 – 90 = 53 °С;

= 150 – 133 = 17 °С.

Средний логарифмический температурный напор, °с:

Расчет поверхности теплообмена ведем методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Для определения ориентировочной площади поверхности теплообмена аппарата задаются значением коэффициента теплопередачи для двух теплоносителей - конденсирующийся пар, вода — k_ор = 1000––2000 Вт/(м²·°С). Принимаем k_ор = 1200 Вт/(м² ·°С).

Ориентировочная поверхность теплообмена, м²:

(3.7)

Принимаем пластинчатый теплообменник с разборными одинарными пластинами, с площадью теплообмена F_ор = 20 м².

Аппарат проектируем на базе пластин APV ПР-0,3 со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплообмена F –– 0,3 м²;

эквивалентный диаметр d_э –– 0,008 м;

площадь поперечного сечения канала –– 0,0011 м²;

приведенная длина канала L_п ––1,12 м;

шаг гофр S –– 0,0208 м;

высота гофр h –– 0,004 м;

ширина канала –– 0,275 м;

средний зазор в канале для прохода среды –– 0,004 м;

габаритные размеры пластины:

длина –– 1,37 м, ширина — 0,3 м, толщина  –– 0,001 м;

масса одной пластины –– 3,2 кг;

диаметр присоединяемых штуцеров –– 50 мм.

Материал для изготовления пластин — нержавеющая сталь с коэффициентом теплопроводности l_ст = 15,9 Вт/(м·°С).

Удельная тепловая нагрузка аппарата приблизительно будет, Вт/м²:

(3.8)

В зависимости от удельной тепловой нагрузки критерий Рейнольдса для стекающей пленки конденсата определяют по формуле:

(3.9)

где L_п –– приведенная длина канала, м; r –– скрытая теплота парообразования, Дж/кг; ρ_к –– плотность конденсата, кг/м³; ν_к –– кинематическая вязкость конденсата, м²/с.

Критерий Нуссельта при условии конденсации пара для пластины ПР-0,3 определяют по формуле:

(3.10)

где Pr_к –– число Прандтля для конденсата.

Коэффициент теплоотдачи от пленки конденсата к стенке, Вт/( м²·°С):

(3.11)

где –– теплопроводность конденсата, Вт/( м·°С).

Для ориентировочного расчета рационального значения скорости воды принимают: ξ_в = 3,0; α_в = 1000 Вт/( м²·°С).

Рассчитывают среднюю температуру стенки, °С:

(3.12)

Скорость движения теплоносителя, м²/с:

(3.13)

где Δр = 100000 Па –– располагаемый напор на преодоление гидравлических сопротивлений потоком воды; с_в –– теплоемкость воды, кДж/( кг·°С); ρ_в –– плотность воды, кг/м³.

Критерий Рейнольдса для потока воды:

(3.14)

где d_э –– эквивалентный диаметр канала пластины, м; ν_в –– кинематическая вязкость воды, м²/с.

Проверяют принятый коэффициент общего гидравлического сопротивления:

 3,0 (3.15)

Поскольку значение коэффициента гидравлического сопротивления отличается от принятого более чем на 5 %, то выполняют поправочный перерасчет скорости.

Принимаем ξ_в = 0,55; α_в = 1000 Вт/( м²·°С).

Скорость движения теплоносителя, м/с:

(3.16)

Критерий Рейнольдса для потока воды:

(3.17)

Коэффициент общего гидравлического сопротивления:

(3.18)

Полученный коэффициент общего гидравлического сопротивления удовлетворяет заданному значению.

Критерий Нуссельта для потока воды, [ ]:

(3.19)

где Рr_в – критерий Прандтля для воды; Рr_ст –– критерий Прандтля для воды при средней температуре стенки t_ст.ср = 129 °С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде, Вт/(м²·°С):

(3.20)

где λ_в –– теплопроводность воды, Вт/(м·°С).

Коэффициент теплопередачи в аппарате, Вт/(м²·°С):

(3.21)

Площадь поверхности теплопередачи в первом приближении, м²:

(3.22)

Так как полученная площадь поверхности теплообмена меньше заданной площади (F_ор = 20 м²), то принимают новое значение поверхности теплообмена и делают перерасчет.